Обмен веществ и энергии в организме человека

1.

2. 1.Обмен веществ

вещества
• питательные
вещества
БЖУ
химические
превращения
синтез
• вода
• соли
распад
• кислород
БЖУ
вещества для
построения
клеток
Е
вещества*
• непереваренные
остатки
• мочевина
• соли
• вода
• углекислый
газ
для осуществления
процессов
жизнедеятельности

3.

4.

Метаболизм
Катаболизм
Анаболизм
Распад
Биосинтез
Большие молекулы – небольшие
Небольшие молекулы – большие
Освобождение энергии
Потребление энергии

5.

6. Анаболизм

• Анаболизм - это совокупность процессов биосинтеза
органических веществ (компонентов клетки и других
структур органов и тканей). Он обеспечивает рост,
развитие, обновление биологических структур, а также
накопление энергии (синтез макроэргов). Анаболизм
заключается
в
химической
модификации
и
перестройке поступающих с пищей молекул в другие
более сложные биологические молекулы. Например,
включение аминокислот в синтезируемые клеткой
белки в соответствии с инструкцией, содержащейся в
генетическом материале данной клетки.

7. Катаболизм

• Катаболизм - это совокупность процессов расщепления сложных
молекул до более простых веществ с использованием части из них в
качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до
конечных продуктов метаболизма с образованием энергии. К конечным
продуктам метаболизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в
день), двуокись углерода (около 230 мл/мин), окись углерода (0,007
мл/мин), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества,
содержащие азот (примерно б г/день). Катаболизм обеспечивает
извлечение химической энергии из содержащихся в пище молекул и
использование этой энергии на обеспечение необходимых функций.
Например, образование свободных аминокислот в результате
расщепления поступающих с пищей белков и последующее окисление
этих аминокислот в клетке с образованием СО2, и Н2О, что
сопровождается
высвобождением
энергии.
Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии
динамического равновесия. Преобладание анаболических процессов над
катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а
преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению
тканевых структур. Состояние равновесного или неравновесного
соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста (в детском
возрасте преобладает анаболизм, у взрослых обычно наблюдается
равновесие, в старческом возрасте преобладает катаболизм), состояния
здоровья,
выполняемой
организмом
физической
или
психоэмоциональной нагрузки.

8.

9. Энергетика катаболизма и анаболизма

АТР поставляет энергию для химической
работы биосинтеза.
АТР служит источником энергии для
процессов движения и сокращения.
За счет энергии АТР происходит перенос
питательных веществ через мембраны
против градиента концентрации.
Энергия АТР используется в очень тонких
механизмах, обеспечивающих передачу
генетической информации при биосинтезе
ДНК, РНК и белков; сама информация
есть, в сущности, одна из форм энергии.

10. Превращение и использование энергии

• В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение
энергии: энергия сложных органических соединений, поступивших с
пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую.
Человек и животные получают энергию из окружающей среды в виде
потенциальной энергии, заключенной в химических связях молекул
жиров, белков и углеводов. Все процессы жизнедеятельности
обеспечиваются энергией за счет анаэробного и аэробного метаболизма.
Получение энергии без участия кислорода, например, гликолиз,
(расщепление глюкозы до молочной кислоты) называется анаэробным
обменом. В ходе анаэробного расщепления глюкозы (гликолиза) или ее
резервного субстрата гликогена (гликогенолиза) превращение 1 моля
глюкозы в 2 моля лактата приводит к образованию 2 молей АТФ.
Энергии, образующейся в ходе анаэробных процессов, недостаточно для
осуществления активной жизни, реакции, происходящие с участием
кислорода, энергетически более эффективны. Все процессы,
генерирующие энергию с участием кислорода, называются аэробным
обменом. При окислении сложных молекул химические связи
разрываются, сначала органические молекулы распадаются до
трехуглеродных соединений, которые включаются в цикл Кребса (цикл
лимонной кислоты), а далее окисляются до СО2 и Н2О.

11.

• Высвободившиеся в этих реакциях протоны и электроны вступают в
цепь переноса электронов, в которой кислород служит конечным
акцептором электронов. Биологическое окисление в сущности
представляет собой "сгорание" вещества при низкой температуре, часть
энергии, высвобождающейся при окислении, запасается в
высокоэнергетических фосфатных связях аденозинтрифосфата (АТФ).
АТФ является аккумулятором химической энергии и средством ее
переноса, диффундируя в те места, где она требуется. Общее количество
молекул АТФ, образующихся при полном окислении 1 моля глюкозы до
СО2, и Н2О, составляет 25,5 молей. При полном окислении молекулы
жиров образуется большее количество молей АТФ, чем при окислении
молекулы углеводов.
Динамика химических превращений, происходящих в клетках, изучается
биологической химией. Задачей физиологии является определение
общих затрат веществ и энергии организмом и того, как они должны
восполняться с помощью полноценного питания. Энергетический обмен
служит показателем общего состояния и физиологической активности
организма.
Единица измерения энергии, обычно применяемая в биологии и
медицине, - калория (кал). Она определяется как количество энергии,
необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1°С. В
Международной системе единиц (СИ) при измерении энергетических
величин используется джоуль (1 ккал= 4,19 кДж).

12. Энергетика катаболизма и анаболизма

Аденин
NH2
N
N
O
O
O
O
OH
Разрыв связи,
приводящий к
образовнию ADP
ADP
ATP
N
O
O P O P O P O CH2
O
N
O
D-рибоза
OH

13. Энергетический эквивалент пищи

• Количество энергии, выделяемой при окислении какого-либо соединения,
не зависит от числа промежуточных этапов его распада, т.е. от того,
сгорело ли оно или окислилось в ходе катаболических процессов. Запас
энергии в пище определяется в колориметрической бомбе - замкнутой
камере, погруженной в водяную баню. Точно взвешенную пробу
помещают в эту камеру, наполненную чистым О2 и поджигают.
Количество выделившейся энергии определяется по изменению
температуры воды, окружающей камеру.
При окислении углеводов выделяется 17,17 кДж/г (4,1 ккал/г), окисление 1
г жира дает 38,96 кДж (9,3 ккал). Запасание энергии в форме жира
является наиболее экономичным способом длительного хранения энергии
в организме. Белки окисляются в организме не полностью. Аминогруппы
отщепляются от молекулы белка и выводятся с мочой в форме мочевины.
Поэтому при сжигании белка в калориметрической бомбе выделяется
больше энергии, чем при его окислении в организме: при сжигании белка
в калориметрической бомбе выделяется 22,61 кДж/г 5,4 ккал/г), а при
окислении в организме - 17,17 кДж/г 4,1 ккал/г). Разница приходится на ту
энергию, которая выделяется при сжигании мочевины,

14.

15. Определение уровня метаболизма

Почти половина всей энергии, получаемой в результате катаболизма, теряется в
виде тепла в процессе образования молекул АТФ. Мышечное сокращение процесс еще менее эффективный. Около 80% энергии, используемой при
мышечном сокращении, теряется в виде тепла и только 20% превращается в
механическую работу (сокращение мышцы). Если человек не совершает работу, то
практически вся генерируемая им энергия теряется в форме тепла (например, у
человека, лежащего в постели). Следовательно, величина теплопродукции является
точным выражением величины обмена в организме человека.
Для определения количества затрачиваемой организмом энергии применяют
прямую и непрямую калориметрию. Первые прямые измерения энергетического
обмена провели в 1788 г. Лавуазье и Лаплас.
Прямая калориметрия заключается в непосредственном измерении тепла,
выделяемого организмом. Для этого животное или человек помещается в
специальную герметическую камеру, по трубам, проходящим через нее, протекает
вода. Для вычисления теплопродукции используются данные о теплоемкости
жидкости, ее объеме, протекающем через камеру за единицу времени, и разности
температур поступающей в камеру и вытекающей жидкости.
Непрямая калориметрия основана на том, что источником энергии в организме
являются окислительные процессы, при которых потребляется кислород и
выделяется углекислый газ.

16.

• Поэтому энергетический обмен можно оценивать, исследуя
газообмен. Наиболее распространен способ Дугласа-Холдейна, при
котором в течение 10-15 мин собирают выдыхаемый обследуемым
человеком воздух в мешок из воздухонепроницаемой ткани (мешок
Дугласа). Затем определяют объем выдохнутого воздуха и
процентное содержание в нем О2 и СО2. По соотношению между
количеством выделенного углекислого газа и количеством
потребленного за данный период времени кислорода дыхательному коэффициенту (ДК) - можно установить, какие
вещества окисляются в организме. ДК при окислении белков равен
0,8, при окислении жиров - 0,7, а углеводов - 1,0. Каждому значению
ДК соответствует определенный холерический эквивалент
кислорода, т.е. то количество тепла, которое выделяется при
окислении какого-либо вещества на каждый литр поглощенного при
этом кислорода. Количество энергии на единицу потребляемого 02
зависит от типа окисляющихся в организме веществ. Калорический
эквивалент кислорода при окислении углеводов равен 21 кДж на 1 л
02 (5 ккал/л), белков - 18,7 кДж (4,5 ккал), жиров - 19,8 кДж (4,74
ккал).
Для косвенного определения интенсивности обмена могут быть
использованы некоторые физиологические параметры, связанные с
потреблением кислорода: частота дыханий и вентиляционный
объем, частота сокращений сердца и минутный объем кровотока все они отражают затраты энергии. Однако эти показатели
недостаточно точны.

17. Основной обмен

Интенсивность энергетического обмена значительно варьирует и
зависит от многих факторов. Поэтому для сравнения
энергетических затрат у разных людей была введена условная
стандартная величина - основной обмен. Основной обмен - это
минимальные для бодрствующего организма затраты энергии,
определенные в строго контролируемых стандартных условиях:
• при комфортной температуре (18-20 градусов тепла);
• в положении лежа (но обследуемый не должен спать);
• в состоянии эмоционального покоя, так как стресс усиливает
метаболизм;
• натощак, т.е. через 12- 16 ч после последнего приема пищи.
Основной обмен зависит от пола, возраста, роста и массы тела
человека. Величина основного обмена в среднем составляет 1 ккал
в 1 ч на 1 кг массы тела. У мужчин в сутки основной обмен
приблизительно равен 1700 ккал, у женщин основной обмен на 1 кг
массы тела примерно на 10% меньше, чем у мужчин, у детей он
больше, чем у взрослых, и с увеличением возраста постепенно
снижается.

18. Обмен веществ

Обмен веществ начинается с поступления питательных веществ в
желудочно-кишечный тракт и воздуха в легкие.
Первым этапом обмена веществ являются ферментативные процессы
расщепления белков, жиров и углеводов до растворимых в воде
аминокислот, моно- и дисахаридов, глицерина, жирных кислот и других
соединений, происходящие в различных отделах желудочно-кишечного
тракта, а также всасывание этих веществ в кровь и лимфу.
Вторым этапом обмена являются транспорт питательных веществ и
кислорода кровью к тканям и те сложные химические превращения
веществ, которые происходят в клетках. В них одновременно
осуществляются расщепление питательных веществ до конечных
продуктов метаболизма, синтез ферментов, гормонов, составных частей
цитоплазмы. Расщепление веществ сопровождается выделением энергии,
которая используется для процессов синтеза и обеспечения работы
каждого органа и организма в целом.
Третьим этапом является удаление конечных продуктов распада из клеток,
их транспорт и выделение почками, легкими, потовыми железами и
кишечником.
Превращение белков, жиров, углеводов, минеральных веществ и воды
происходит в тесном взаимодействии друг с другом. В метаболизме
каждого из них имеются свои особенности, а физиологическое значение
их различно, поэтому обмен каждого из этих веществ принято
рассматривать отдельно.